JP5900754B2 - 炭素膜成膜装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ターゲットとなる被加工材の表面に高速で高品位な炭素膜、特に真性カーボン膜を加工形成するための炭素膜成膜装置に関する。
背景技術
従来、炭素膜としては、例えば切削工具、軸受けなどの摺動部品などの表面に成膜されるＤＬＣ膜が知られている。ＤＬＣ膜の製法は従来様々な方法が提案されており、最近では水素含有量が極めて低い低水素炭素膜、あるいは水素がほとんど含まれない炭素膜（いわゆる真性カーボン膜）が存在する。低水素炭素膜あるいは真性カーボン膜は、膜としての耐摩耗性、耐久性が存在し、高硬度であるため、例えば電極。金型、工具、機械部品などの各種被加工材の表面材として利用されている。
一般に水素含有量が０．５％以上５％以下のＤＬＣ膜は、カソードアーク法及びフィルタードアーク法、レーザーアブレーション法、スパッタリング法の各方法で成膜される。
スパッタリング法としては、特許文献３に示される方法が知られている。
ＤＬＣ膜の高速な成膜方法としては、特許文献４に示す方法が知られている。この方法による成膜によれば成膜速度を１０μｍ／ｈまで上昇させることが可能とされる。
先行技術文献
特許文献
特開２００３−１４７５０８号公報 特開２００８−２９７１７１号公報 特開２００７−７０６６７号公報 特開２０１０−１７４３１０号公報
しかしながら、単一の真空容器のＤＣマグネトロンスパッタにおいては、プラズマを発生させる電源から供給される電圧を定めることにより膜質と成膜速度が固定されてしまうという問題があり、例えばロール式の積層炭素膜成膜装置において、巻取り速度に合わせた膜厚、膜質の選択は不可能であった。
特許文献４によれば、マグネトロンスパッタリング法を初めとするＰＶＤ法においては成膜速度は１μｍ／ｈといわれ、生産性に優れているとは言い難い。
本発明は、上述した背景に鑑みてなされたものであり、ロール式の積層炭素膜成膜装置において、巻取り速度の細かな調整なしに一様で用途に対し適切な炭素膜を形成することを目的とするものである。
課題を解決するための手段
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る炭素膜成膜装置は、ロール状に巻かれた被加工材を内部に設置した巻出真空槽と、巻出真空槽から巻き出された被加工材を加工するための成膜真空槽と、成膜真空槽によって加工された被加工材をロール状に巻き取るための巻取真空槽と、を有する炭素膜成膜装置であって、成膜真空槽は、所定の真空度に減圧可能とされる真空チャンバ内に被加工材を保持する被加工材保持基板と、被加工材保持基板に対向配置される少なくとも１つ以上の炭素原料基板を有し、炭素原料基板上で、真空チャンバ内に導入される放電発生用の媒体ガスをパルス電源より炭素原料基板に出力される調整電力に基づきプラズマ化し、被加工材保持基板に保持される被加工材に向けて炭素原料基板から炭素原料とともに放電するプラズマ発生源と、を備え、スパッタリング法によって被加工材の表面に炭素膜を加工形成し、パルス電源は、パルス幅を１００μｓ〜１６０μｓ、周波数を５０Ｈｚ〜２０００Ｈｚ、電圧を７００Ｖ〜２０００Ｖの範囲で制御する調整回路を有し、炭素原料基板と被加工材との間隔を３０ｍｍから２００ｍｍの間で調整することにより、成膜速度を毎分１ｎｍから毎分７００ｎｍの範囲で調整可能としたことを特徴としている。
本発明に係る炭素膜成膜装置において、パルス電源より炭素原料基板へ印加される電力が単位面積当たり０．５ｋＷ／ｍ２〜３０００ｋＷ／ｍ２の間に制御されることによって硬度・成膜速度をある領域で制御可能なことを特徴とする。
本発明に係る炭素膜成膜装置において、炭素原料基板には温度を計測する測定子と温度を調整するための機構が備えつけられており、炭素原料基板の表面温度が１０００℃以上になるまで加熱し炭素原料基板から蒸発する原材料の蒸気圧が０．００１Ｐａ〜１３０Ｐａとなるように制御することによって硬度・成膜速度をある領域で制御可能なことを特徴とする。
本発明に係る炭素膜成膜装置において、インピーダンス整合用抵抗により炭素原料基板に出力される電圧、電流値を調整することにより、回路に対する装置内部のインピーダンスを２０％〜７０％となるように制御可能なことを特徴とする。
本発明に係る炭素膜形成装置は、上述のいずれかの炭素膜成膜装置により成膜された炭素膜について、ＹＡＧレーザーを用いたラマン分光スペクトルにおいて、８００〜２０００ｃｍ−１間にピークを有する特性バンドを持ち、ＧバンドとＤバンドのピーク強度比が０．４以上２．０以下、あるいは面積強度比が１．５以上３．２以下であるように調整可能であることを特徴とする。
本発明に係る炭素膜形成装置は、被加工材保持基板に保持される被加工材は、ポリエチレン、ポリエステル、ポリエチレンテレフタラート、ポリイミド、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、アルミニウム合金、アルミナ、ＳＵＪ２（高炭素クロム軸受鋼鋼材）、ＷＣ（タングステンカーバイド）、Ｓｉウェハ、繊維製品、及び生分解性プラスチックのいずれかであることを特徴とする。
本発明に係る炭素膜形成装置は、真空槽に導入される気体は、窒素、アルゴン、クリプトン、酸素、炭化水素系ガス又は、これらの混合ガスのいずれかであることを特徴とする。
本発明に係る炭素膜形成装置において、成膜真空槽の被加工材保持基板に対向配置される炭素原料基板は、炭素を主材とし、チタン、シリコン、アルミニウム、ジルコニウム、亜鉛、タングステンのうちのいずれか一種あるいはこれらを複数選択して含有して構成されるものであることが好ましい。
本発明に係る炭素膜形成装置において、炭素原料基板へ印加する電圧を０Ｖを超えて１４００Ｖまでの間で調整することにより、成膜速度を毎分０ｎｍを超え毎分７５ｎｍまでの範囲で調整可能とすることが好ましい。
本発明に係る炭素膜成膜装置は、ロール式の積層炭素膜成膜装置において、巻取り速度の細かな調整なしに一様で用途に対し適切な炭素膜を形成することができる、という効果を奏する。
本発明の実施形態に係る炭素膜成膜装置の成膜真空槽の内部構成を示す図である。 本発明の実施形態に係るパルス電源、パルス生成機構、及び基板電圧印加手段の概略構成を示す回路図である。 本発明の実施形態に係る炭素膜成膜装置の内部構成を示す図である。 縦軸に散乱強度、横軸に波数をとった、ラマンスペクトルを示す図である。 炭素原料基板５へ印加する電圧と、被加工材４に成膜される炭素膜の成膜速度と、の関係を示すグラフである。 ターゲット電圧の条件を様々に変化させ、成膜された炭素膜の体積抵抗率を測定したデータを示し、炭素を主材としタングステンを副材としてなる炭素原料基板を使用して成膜した炭素膜の導電性を示すグラフである。 本発明に係る装置で成膜された炭素膜（真性カーボン膜）の酸素透過度酸素透過度を、基材だけのもの、基材に対しダイアモンドライクカーボン層（ＤＬＣ層）を成膜したものと比較して示したグラフである。
以下に、本発明に係る炭素膜成膜装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
まず、本発明による作用・効果について説明する。
本発明に係る炭素膜成膜装置は、ロール状に巻かれた被加工材を内部に設置した巻出真空槽と、巻出真空槽から巻き出された被加工材を加工するための成膜真空槽と、成膜真空槽によって加工された被加工材をロール状に巻き取るための巻取真空槽と、を有する炭素膜成膜装置であって、所定の真空度に減圧可能とされる真空チャンバ内に、被加工材を保持し、基板電圧印加手段により所定の電圧に印加される被加工材保持基板と、前記被加工材保持基板に対向配置される炭素原料基板上で、真空チャンバ内に導入される放電発生用の媒体ガスをパルス電源より炭素原料基板に出力される調整電力に基づきプラズマ化し、炭素原料基板から前記被加工材保持基板に保持される被加工材に向けて炭素原料とともに放電するプラズマ発生源とを備え、スパッタリング法によって被加工材の表面に炭素膜を加工形成し、炭素原料基板と被加工材との間隔を３０ｍｍから２００ｍｍの間で調整することにより、成膜速度を毎分１ｎｍから毎分７００ｎｍの範囲で調整可能とした。パルス電源は、例えば、パルス幅を１００μｓ〜１６０μｓ、周波数を５０Ｈｚ〜２０００Ｈｚ、電圧を７００Ｖ〜２０００Ｖの範囲で制御する調整回路を有する。
また、前記パルス電源より炭素原料基板へ印加される電力が単位面積当たり０．５ｋＷ／ｍ２〜３０００ｋＷ／ｍ２の間に制御されることによって炭素原料基板周辺におけるプラズマの密度を適切な値に調整することが可能となり、これにより成膜真空槽内の被加工材の表面に巻取り速度の細かな調整なしにロール式の積層炭素膜成膜装置において一様で高品位な炭素膜を形成することができるという効果がある。
また、前記炭素原料基板には温度を計測する測定子と温度を調整するための機構が備えつけられており炭素原料基板の表面温度が１０００℃以上になるまで加熱し炭素原料基板から蒸発する原材料の蒸気圧が０．００１Ｐａ〜１３０Ｐａとなるように制御することによって従来のプラズマによるスパッタリングに加え、炭素の蒸気圧による成分により成膜速度をさらに増加させることができるという効果がある。また、これらの効果は、炭素原料に代えて、チタン、タングステン、クロムをターゲットにした場合においても確認された。
ここで、インピーダンス整合用抵抗により前記炭素原料基板に出力される電圧、電流値を調整することにより、回路に対する装置内部のインピーダンスを２０％〜７０％となるように制御可能である。
ここで、上述のいずれかの炭素膜成膜装置により成膜された炭素膜について、ＹＡＧレーザーを用いたラマン分光スペクトルにおいて、８００〜２０００ｃｍ−１間にピークを有する特性バンドを持ち、ＧバンドとＤバンドのピーク強度比が０．４以上２．０以下、あるいは面積強度比が１．５以上３．２以下であるように調整可能である。
さらに、前記成膜真空槽は内部に被加工材を保持するための被加工材保持基板を設置することで成膜真空槽単独でも運用できるため、積層膜を必要としない場合にはバッチ式の炭素膜成膜装置としても利用可能であるという効果がある。
被加工材保持基板に保持される被加工材は、ポリエチレン、ポリエステル、ポリエチレンテレフタラート、ポリイミド、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、アルミニウム合金、アルミナ、ＳＵＪ２（高炭素クロム軸受鋼鋼材）、ＷＣ（タングステンカーバイド）、Ｓｉウェハ、繊維製品、及び生分解性プラスチックのいずれかとすることができる。

真空槽に導入される気体は、窒素、アルゴン、クリプトン、酸素、炭化水素系ガス又は、これらの混合ガスのいずれかとすることができる。
つづいて、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る炭素膜成膜装置の成膜真空槽１０の内部構成を示す図である。図２は、本実施形態に係るパルス電源１７、パルス生成機構１８、及び基板電圧印加手段１３の概略構成を示す回路図である。図３は、本実施形態に係る炭素膜成膜装置の内部構成を示す図である。
本実施形態の炭素膜成膜装置は、成膜真空槽１０と、巻出真空槽２０と、巻取真空槽３０と、を備える。図３に示す例では、巻出真空槽２０、２つの成膜真空槽１０、及び巻取真空槽３０の順に配置している。ここで、成膜真空槽１０は１つであってもよいし、３つ以上並べてもよい。
成膜真空槽１０は、図１又は図３に示すように、その内部を不図示の真空ポンプを作動して矢印方向に排気を行い、所定の真空度に減圧可能である。成膜真空槽１０の真空チャンバ１１内には被加工材保持基板としての基板２が配置され、前記基板２は図２に示される基板電圧印加手段１３により所定の電圧に印加される。基板電圧印加手段１３は、基板２用のパルス電圧又は直流電圧を印加する。
前記基板２には被加工材４がその表面に保持可能とされる。被加工材４は、巻出真空槽２０内に配した巻き出しロール２１にロール状に巻かれている。この被加工材４は、巻出真空槽２０から巻き出されて１０内で基板２に保持されつつ炭素膜加工された後に、巻取真空槽３０内の巻き取りロール３１にロール状に巻き取られる。
成膜真空槽１０内には、前記基板２に対向配置される状態でプラズマ発生源としての炭素原料基板５が備えられる。ここで炭素原料基板５は炭素を主材とし、チタン、シリコン、アルミニウム、ジルコニウム、亜鉛、タングステンのうちのいずれか一種あるいはこれらを複数選択してなる補材を含有することとしてもよい。なお、チタン、シリコン、アルミニウム、ジルコニウム、亜鉛、タングステンのうちのいずれか一種あるいはこれらを複数選択してなる補材は主材としての炭素に対し、0.1〜30％の範囲で含むものとする。さらに炭素原料基板５は、炭素を主成分とすることなく、チタン、シリコン、アルミニウム、ジルコニウム、亜鉛、タングステンのうちいずれか一種あるいはこれらを選択してなる複数の素材を炭素に対して0.1%〜99.99%まで含むものとしても構わない。炭素原料基板５には炭素原料基板５用のパルス電源１７が接続される。真空チャンバ１１にはガス導入ポート６が備えられ、ガス導入ポート６からは成膜真空槽１０内に放電発生用の媒体ガスが導入可能とされる。また、炭素原料基板５には温度を計測する測定子（不図示）と温度を調整するための機構（不図示）が備えつけられている
基板電圧印加手段１３及び炭素原料基板用のパルス電源１７には、パルス生成機構１８が接続される。パルス生成機構１８は前記基板電圧印加手段１３により基板２に印加される電圧を所定の電圧値に設定調整可能とするとともに、炭素原料基板用のパルス電源１７から炭素原料基板５へと出力される調整電力の値を、所定の値に設定調整することを可能としている。さらに加えてパルス生成機構１８は、炭素原料基板５に出力される調整電力におけるパルス電圧の印加時間についても所定の値に設定調整することを可能にしている。
このような構成により、本実施形態の炭素膜成膜装置は、真空チャンバ１１内を所定の真空度に減圧し、被加工材表面を放電によるプラズマ照射で洗浄を行い、この状態でパルス生成機構１８の指令に基づく基板電圧印加手段１３の作動により、基板２に所定の電圧を印加する（ターゲット電圧オン）。さらにパルス生成機構１８の指令に基づくパルス電源１７から炭素原料基板５への調整電力の出力を行うことができる。これにより、ガス導入ポート６から成膜真空槽１０内に導入される放電発生用の媒体ガスを、パルス電源１７より炭素原料基板５に出力される調整電力に基づき、プラズマ化することが可能となり、炭素原料基板５から前記基板２に保持される被加工材４に向けて炭素原料とともにプラズマ放電が発生する状態となる。この結果、前記プラズマ放電により被加工材４の表面に炭素膜を加工形成（成膜）することが可能となる。成膜を終了させるときは、ターゲット電圧をオフにする。
ここで、基板電圧印加手段１３は、基板２用のパルス電圧又は直流電圧を印加するものとされ、先ず直流電圧を印加する場合、パルス生成機構１８は基板２を０〜５００Ｖの範囲に設定調整する状態で電圧を印加するものとされる。一方、炭素原料基板５用のパルス電源１７から炭素原料基板５へと出力される調整電力は、パルス生成機構１８がその値、及びパルス電圧の印加時間について所定の値に設定調整するものとし、その電流は、単位面積当たり０．１ｋＡ／ｍ２〜６ｋＡ／ｍ２の範囲で制御される。
また、調整電力を出力するパルス電源１７としては、図２に示すような回路が採用可能である。この回路は高圧直流安定化電源の出力をコンデンサＣ０に充電し、そのエネルギーをスイッチング回路１９でパルス状に変換し、大電力パルスとして炭素原料基板５に供給出力することを可能にしている。このときのスイッチング回路１９としては、パルス生成機構１８から発振されるパルス信号をゲート信号とする大電力用のＩＧＢＴ素子を用いた回路が採用可能であるほか、高速応答用にＦＥＴ素子を用いたスイッチング素子としても構わない。
基板電圧印加手段１３においても、高圧直流安定化電源の出力をコンデンサに充電し、そのエネルギーをスイッチング回路１６でパルス状に変換し、大電力パルスとして基板２に供給出力することが可能である。
さらに、調整電力を出力するパルス電源１７には、インピーダンス整合機構１５が取り付けられており、可変抵抗（インピーダンス整合用抵抗）により炭素原料基板５に流れる電流に対する回路全体のインピーダンスを２０％〜７０％となるように制御可能である。
図４は、縦軸に散乱強度、横軸に波数をとった、ラマンスペクトルを示す図である。図５は、炭素原料基板５へ印加する電圧と、被加工材４に成膜される炭素膜の成膜速度と、の関係を示すグラフである。図４においては、本実施形態の炭素膜成膜装置によって成膜された炭素膜の測定データと、Ｄ−ｂａｎｄ及びＧ−ｂａｎｄのスペクトルと、を同時に示している。
図４から、本実施形態の炭素膜成膜装置により成膜された炭素膜は、ＹＡＧレーザーを用いたラマン分光スペクトルにおいて、８００〜２０００ｃｍ−１間にピークを有する特性バンドを持つ典型的なＤＬＣ膜であることが確認された。また、図５には、炭素原料基板５へ印加する電圧により被加工材４に成膜される炭素膜の成膜速度がどのように変化するが示されている。
以下、実施例について説明する。
（実施例１）
５×８インチのカーボンターゲット（炭素原料基板５）に出力するパルス電源１７の調整電力において、ピークで０．８ｋＶ，安定部分で０．６１ｋＶのパルス電圧を１００μｓ印加し、パルスピーク電力を３．２ｋＷの条件で出力した。また、基板電圧印加手段１３より基板２に印加する電圧は０Ｖとした。Ａｒガス圧力は３．３８×１０−１Ｐａとした。この条件で成膜された炭素膜（真性カーボン膜）の特性は、膜厚が０．６０μｍ、硬さがビッカース換算値ＨＶ １１９０であった。
（実施例２）
５×８インチのカーボンターゲット（炭素原料基板５）に出力するパルス電源１７の調整電力において、ピークで１．０ｋＶ，安定部分で０．６１ｋＶのパルス電圧を１００μｓ印加し、パルスピーク電力を８．１４ｋＷの条件で出力した。また基板電圧印加手段１３より基板２に印加する電圧は０Ｖとした。Ａｒガス圧力は３．３８×１０−１Ｐａとした。この条件で成膜された炭素膜（真性カーボン膜）の特性は、膜厚が０．６０μｍ、硬さがビッカース換算値ＨＶ ８９０であった。
（実施例３）
５×８インチのカーボンターゲット（炭素原料基板５）に出力するパルス電源１７の調整電力において、ピークで１．２ｋＶ，安定部分で０．６１ｋＶのパルス電圧を１００μｓ印加し、パルスピーク電力を２４．２ｋＷの条件で出力した。また基板電圧印加手段１３より基板２に印加する電圧は０Ｖとした。Ａｒガス圧力は３．３８×１０−１Ｐａとした。この条件で成膜された炭素膜（真性カーボン膜）の特性は、膜厚が０．６０μｍ、硬さがビッカース換算値ＨＶ １０１０であった。
（実施例４）
５×８インチのカーボンターゲット（炭素原料基板５）に出力するパルス電源１７の調整電力において、ピークで１．４ｋＶ，安定部分で０．６１ｋＶのパルス電圧を１００μｓ印加し、パルスピーク電力を４３．３ｋＷの条件で出力した。また基板電圧印加手段１３より基板２に印加する電圧は０Ｖとした。Ａｒガス圧力は３．３８×１０−１Ｐａとした。この条件で成膜された炭素膜（真性カーボン膜）の特性は、膜厚が０．６０μｍ、硬さがビッカース換算値ＨＶ ６８０であった。
（実施例５）
５×８インチのカーボンターゲット（炭素原料基板５）に出力するパルス電源１７の調整電力において、ピークで１．２ｋＶ，安定部分で０．６１ｋＶのパルス電圧を１６０μｓ印加し、パルスピーク電力を５６．２ｋＷの条件で出力した。また基板電圧印加手段１３より基板２に印加する電圧は０Ｖとした。Ａｒガス圧力は１．５１×１０−１Ｐａとした。この条件で成膜された炭素膜（真性カーボン膜）の特性は、膜厚が３．２０μｍ、硬さがビッカース換算値ＨＶ １７８であった。また、この条件で成膜された炭素膜（真性カーボン膜）の特性は、体積抵抗率１．６６×１０−１Ω・ｃｍであった。
硬さ測定において薄膜の硬さ試験は、従来法であるマイクロビッカースやヌープ試験を適用した場合、膜厚からある臨界値を越えると基材の影響が大きく、薄膜自身の硬さがわからないため、この影響を抑えるために、一般的に押し込み深さを膜厚の１０％以下（ただし、基材材質と膜特性による）にする必要があると言われている。そのためナノインデンテーション（Nanoindentation）法が開発され、薄膜の硬度測定が可能となった。そして２００２年には、ＩＳＯ１４５７７としてナノインデンテーション法のドラフトが作成され世界的に認知が広まっている。ＩＳＯ１４５７７に記載されている算出方法は、インデンテーションハードネス（Indentation Hardness）（ＨＩＴ）があり、投影接触面積Ａｐと最大荷重Ｆｍａｘから下記式（１）のように示される。
Figure 0005900754
改変型ベルコビッチ圧子を用いたビッカース換算値の計算方法を（2）式に示す。なお、分析条件については、押し込み荷重 1ｍN、荷重印加速度 2ｍN／minとした。
Figure 0005900754
（実施例６）
５×８インチの金属含有カーボンターゲット（炭素原料基板５）に出力するパルス電源１７の調整電力において、ピークで１．０ｋＶ，安定部分で０．６１ｋＶのパルス電圧を１００μｓ印加し、パルスピーク電力を５６．２ｋＷの条件で出力した。また基板電圧印加手段１３より基板２に印加する電圧は０Ｖとした。Ａｒガス圧力は１．５１×１０−１Ｐａとした。この条件で成膜された炭素膜（真性カーボン膜）の特性は、体積抵抗率６．３×１０−３Ω・ｃｍであった。
（実施例７）
５×８インチのカーボンターゲット（炭素原料基板５）に出力するパルス電源１７の調整電力において、ピークで１．０ｋＶ，安定部分で０．６１ｋＶのパルス電圧を１００μｓ印加し、パルスピーク電力を５６．２ｋＷの条件で出力した。また基板電圧印加手段１３より基板２に印加する電圧は０Ｖとした。Ａｒガス圧力は１．５１×１０−１Ｐａとした。この条件で成膜された炭素膜（真性カーボン膜）の特性は、膜厚４９nm、酸素のガス透過率が2.5 ｃｃ／（ｍ2・ｄａｙ・atm）、水蒸気のガス透過率が９．０ｇ／（ｍ2・ｄａｙ・atm）であった。ここで図７は、酸素透過度を基材だけのもの、基材に対しダイアモンドライクカーボン層（ＤＬＣ層）を成膜したものと比較して示したものである。ここで本発明に係る水素フリーの炭素膜（真性カーボン膜）の酸素透過度は右端に表示され、ＤＬＣ層の膜よりも極端に酸素透過度が低く、ガスバリア性が向上されていることが理解できる。
（実施例８）
５×８インチのシリコン含有カーボンターゲット（炭素原料基板５）に出力するパルス電源１７の調整電力において、ピークで１．０ｋＶ，安定部分で０．６１ｋＶのパルス電圧を１００μｓ印加し、パルスピーク電力を５６．２ｋＷの条件で出力した。また基板電圧印加手段１３より基板２に印加する電圧は０Ｖとした。Ａｒガス圧力は１．５１×１０−１Ｐａとした。この条件で成膜された炭素膜（真性カーボン膜）の特性は、膜厚５０nm、水蒸気のガス透過率が６．７ ｇ／（ｍ2・ｄａｙ・atm）であった。
こうした実施例（実施例１ないし８）において、さらに前記のように炭素原料基板５における主材としての炭素に対し、チタン、シリコン、アルミニウム、ジルコニウム、亜鉛、タングステンなどの補材を含有させることにより、成膜された炭素膜の特性を変化させることが可能となる。
例えば下記表１は上記炭素原料基板５において、主材としての炭素に対し、副材としてタングステンを含ませることにより成膜した炭素膜の導電性を示すものである。表１からも明らかなように、炭素に対して補材としてのタングステンの含有量を０から２０％の範囲で増大させることにより、導電性を向上させることが可能なことが理解できる。
Figure 0005900754
また下記表２は、上記炭素原料基板５において、主材としての炭素に対し、副材としてシリコンを含ませることにより成膜した炭素膜の導電性を示すものである。表２からも明らかなように、炭素に対して補材としてのシリコンの含有量を０から１０％の範囲で増大させることにより、水蒸気透過性を減少させることが可能なことが理解できる。
Figure 0005900754
また上記実施例のうちの実施例６で示したように、成膜される炭素膜（真性カーボン膜）の体積抵抗率を、ターゲット電圧の条件を様々に変化させることで可変に調整できることも確認された（図６参照）。図６に示された条件１は上記炭素原料基板５において、炭素を主材とする炭素原料基板を使用して成膜した炭素膜の導電性を示すものであり、条件２は上記炭素原料基板５において、主材としての炭素に対し、副材としてタングステンを１０％含ませることにより成膜した炭素膜の導電性を示すものである。また条件３は上記炭素原料基板５において、主材としての炭素に対し、副材としてタングステンを２０％含ませることにより成膜した炭素膜の導電性を示すものである。
このように、本発明の各実施例で示す各条件で成膜される炭素膜（真性カーボン膜）に関しては、その条件を様々に変化させることで例えば酸素等のガス透過率を減少させたり、ガスバリア性をターゲットの選択により任意に設定できることが可能とされる。また水蒸気透過性に関しては、0.1[cc/m2/day] 〜20.0[cc/m2/day]の範囲で制御可能とすることも可能となった。また導電性に関しても、ターゲットの選択及び放電条件の制御によって体積抵抗率を1.0×10-3[Ω・cm]〜1.0×102[Ω・cm]の範囲で任意に設定でき、制御することも確認できた。
また成膜される炭素膜（真性カーボン膜）に関しては、その表面の鏡面度も変化させることができ、そのことは出願人が様々な条件で成膜された炭素膜を分光エリプソメトリー測定により屈折率nおよび消衰係数kの値を測定し、波長550nmにおけるnが2.5〜2.7 kが0.1〜0.6硬さ22〜35GPaの高硬度かつ抵抗値1.0×101〜1.0×102 [Ω・cm]のカーボン膜、nが2.1〜2.5 kが0.6〜0.8硬さ9〜20GPaの中硬度かつ抵抗値1.0×10-1〜1.0×101 [Ω・cm]のカーボン膜、nが1.4〜2.1 kが0.6〜0.8硬さ0.04〜11GPaの低硬度かつ抵抗値1.0×10-1〜1.0×10-2 [Ω・cm]のカーボン膜に作り分けられることを確認することができた。さらに本発明に係る炭素膜成膜装置に関しては、ロール状に巻かれた被加工材に対して炭素膜を成膜させることはもちろん、フィルム等の被加工材の表面に多層の複合膜を成膜することも可能となり、こうして成膜されたフィルムについては例えば包装用のフィルムや電極の表面保護膜、回路パターンの表面封止膜などに用いることが可能となる。
以上のように、本発明に係る炭素膜成膜装置は、ロール式の積層炭素膜成膜装置に有用である。
２ 基板（被加工材保持基板）
４ 被加工材
５ 炭素原料基板
６ ガス導入ポート
１０ 成膜真空槽
１１ 真空チャンバ
１３ 基板電圧印加手段
１５ インピーダンス整合機構
１６ スイッチング回路
１７ パルス電源
１８ パルス生成機構
１９ スイッチング回路
２０ 巻出真空槽
２１ 巻き出しロール
３０ 巻取真空槽
３１ 巻き取りロール

Claims (9)

  1. ロール状に巻かれた被加工材を内部に設置した巻出真空槽と、
    前記巻出真空槽から巻き出された前記被加工材を加工するための成膜真空槽と、
    成膜真空槽によって加工された前記被加工材をロール状に巻き取るための巻取真空槽と、を有する炭素膜成膜装置であって、
    前記成膜真空槽は、
    所定の真空度に減圧可能とされる真空チャンバ内に前記被加工材を保持する被加工材保持基板と、
    前記被加工材保持基板に対向配置される少なくとも１つ以上の炭素原料基板を有し、前記炭素原料基板上で、前記真空チャンバ内に導入される放電発生用の媒体ガスをパルス電源より前記炭素原料基板に出力される調整電力に基づきプラズマ化し、前記被加工材保持基板に保持される前記被加工材に向けて前記炭素原料基板から炭素原料とともに放電するプラズマ発生源と、を備え、
    スパッタリング法によって前記被加工材の表面に炭素膜を加工形成し、
    前記パルス電源は、パルス幅を１００μｓ〜１６０μｓ、周波数を５０Ｈｚ〜２０００Ｈｚ、電圧を７００Ｖ〜２０００Ｖの範囲で制御する調整回路を有し、
    前記炭素原料基板と前記被加工材との間隔を３０ｍｍから２００ｍｍの間で調整することにより、成膜速度を毎分１ｎｍから毎分７００ｎｍの範囲で調整可能としたことを特徴とする炭素膜成膜装置。
  2. 前記パルス電源より前記炭素原料基板へ印加される電力が単位面積当たり０．５ｋＷ／ｍ ２ 〜３０００ｋＷ／ｍ ２ の間に制御されることによって硬度・成膜速度をある領域で制御可能なことを特徴とする請求項１に記載の炭素膜成膜装置。
  3. 前記炭素原料基板には温度を計測する測定子と温度を調整するための機構が備えつけられており、前記炭素原料基板の表面温度が１０００℃以上になるまで加熱し前記炭素原料基板から蒸発する原材料の蒸気圧が０．００１Ｐａ〜１３０Ｐａとなるように制御することによって硬度・成膜速度をある領域で制御可能なことを特徴とする請求項１に記載の炭素膜成膜装置。
  4. インピーダンス整合用抵抗により前記炭素原料基板に出力される電圧、電流値を調整することにより、回路に対する装置内部のインピーダンスを２０％〜７０％となるように制御可能なことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の炭素膜成膜装置。
  5. 成膜された炭素膜について、ＹＡＧレーザーを用いたラマン分光スペクトルにおいて、８００〜２０００ｃｍ −１ 間にピークを有する特性バンドを持ち、ＧバンドとＤバンドのピーク強度比が０．４以上２．０以下、あるいは面積強度比が１．５以上３．２以下であるように調整可能であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の炭素膜形成装置。
  6. 前記被加工材保持基板に保持される被加工材は、ポリエチレン、ポリエステル、ポリエチレンテレフタラート、ポリイミド、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、アルミニウム合金、アルミナ、ＳＵＪ２（高炭素クロム軸受鋼鋼材）、ＷＣ（タングステンカーバイド）、Ｓｉウェハ、繊維製品、及び生分解性プラスチックのいずれかであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の炭素膜形成装置。
  7. 前記真空槽に導入される気体は、窒素、アルゴン、クリプトン、酸素、炭化水素系ガス又は、これらの混合ガスのいずれかであることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の炭素膜形成装置。
  8. 前記成膜真空槽の前記被加工材保持基板に対向配置される前記炭素原料基板は、炭素を主材とし、チタン、シリコン、アルミニウム、ジルコニウム、亜鉛、タングステンのうちのいずれか一種あるいはこれらを複数選択して含有して構成されるものである請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の炭素膜成膜装置。
  9. 前記炭素原料基板へ印加する電圧を０Ｖを超えて１４００Ｖまでの間で調整することにより、成膜速度を毎分０ｎｍを超え毎分７５ｎｍまでの範囲で調整可能とすることを特徴とする請求項１に記載の炭素膜成膜装置。
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